专利名称：半导体封装的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种半导体封装，其包括金属合金基板、设置在基板上的需要高气密度的半导体器件、通过气密封粘结到基板上的多条引线、以及经由密封环结合到基板上的密封盖。
背景技术：
金属的、气密封封装用于封装要求高气密度的如半导体器件的电子元件。常见的实例包括盒型蝴蝶式封装、罐形的管芯型(stem-type)封装(管芯型半导体载体)以及小的MiniDil型封装。用于将外部电信号传送到封装(或载体)中的以下统称为“引线”的引线连线或者引线端子在引线进入封装(或载体)的位置被气密封。
进行这样的气密封从而在金属封装和引线之间维持电绝缘状态，并气密性地密封封装内部。用于金属封装(载体)的金属基板通常由铁、不锈钢、铁-镍合金或者商品名称为可伐的铁-镍-钴合金制成。由于其与气密封玻璃良好的润湿性并由于其具有与玻璃类似的热膨胀系数，这些金属足够维持高的气密度。
日本专利公开No.10-7441(JP-A 10-7441)描述了用于进行这种气密封的一种技术方法。在现有技术中，在金属端子的表面上形成由镍制成的第一金属层，然后在镍层上形成第二金属层。在热处理期间，制成第一金属层的镍金属扩散穿过第二金属层的金属，最终到达这些镀层的表面，在该处镍与玻璃进行氧化还原反应，由此形成粘结层。结果，即使在其上具有第二金属层以保护所述表面的金属端子上也能够实现坚固的气密封。
然而，随着在过去几年中半导体器件所产生热量的增加，现有技术的封装材料不再能够进行足够的散热。因此，为了防止器件产生的热所致的半导体器件失效，具有高热导率和低的热膨胀特性的钨-铜(WCu)合金、钨-银(WAg)合金、钼-铜(MoCu)合金和钼-银(MoAg)合金已逐渐用作封装材料从而迅速且有效地将产生的热散发到外部。当钨-铜合金、钨-银合金、钼-铜合金或钼-银合金用作封装(载体)中的基板时，有必要将铁-镍合金或可伐制成的密封环铜焊到基板上从而将由铁-镍(FeNi)合金或可伐制成的盖状物(例如盖子或外壳)焊接到基板上。当将铁-镍合金或可伐制成的密封环键合到基板上时，钨-铜合金、钨-银合金、钼-铜合金或钼-银合金被镀镍或者预处理从而有助于通过铜焊流动。此外，进行热处理以增大基板和镍镀层之间的粘附力。然后引线在镀镍并被热处理的基板上的引线进入点被气密封，之后密封环被铜焊到基板上的预定位置。
然而，由于组成钨-铜合金、钨-银合金、钼-铜合金或钼-银合金的金属在固溶体中并不互溶(mutually)，这些合金中每一种合金的表面状况局部地不同，这使得很难诱发镍镀层的均匀生长。结果，由于源于热处理、气密封步骤和镀镍之后的铜焊的热失常激增(thermal excursion)，基板和镍镀层之间的粘附力下降，很难维持高气密性。因此，这种封装(载体)不适合于容纳要求高气密度的半导体器件。
实用新型内容因此，本实用新型要解决的技术问题是提供一种半导体封装，其尽管具有由钨-铜(WCu)合金、钨-银(WAg)合金、钼-铜(MoCu)合金或钼-银(MoAg)合金制成的基板，但可获得高气密度。
因此，本实用新型提供了一种半导体封装，包括从包括钨-铜合金、钨-银合金、钼-铜合金和钼-银合金的组中选取的金属合金制成的基板；设置在所述基板上的需要气密性的半导体器件；通过气密封固定到所述基板上的多条引线；以及经由密封环结合到所述基板的密封盖。为了达到上述目的，用于固定多条引线的气密封的材料直接结合到所述基板上而没有插入的镍镀层，并且所述密封环通过铜焊直接键合到所述基板上而没有插入的镍镀层。所述引线在气密封之后被镀镍和镀金，并且所述密封环在铜焊之后被镀镍和镀金。
本实用新型还提供了一种半导体封装，包括由基于钨的金属合金或基于钼的金属合金制成并形成有通孔的衬底；位于所述通孔处并通过对所述衬底直接实施的气密封固定到所述衬底的引线；设置在所述衬底上并连接到所述引线的需要气密性的半导体器件；及键合到所述衬底以密封所述半导体器件的密封盖。
通过采用气密封将多条引线固定或结合到基板上而没有插入的镍镀层，在基板和气密玻璃之间的结合处以及在引线和气密玻璃之间的结合处的粘附力并不减小，即使在这些气密封的区域发生热失常激增也是如此。这种结构能够保持高的气密度。而且，因为使用铜焊以将密封环直接键合到基板上而没有插入的镍镀层，基板和密封环被铜焊在一起之处的粘附力并不减小，即使当这一铜焊的区域在之后经受热失常激增。这种结构也能够保持高的气密度。由此能够提供具有高气密度的半导体封装，即使基板由钨-铜合金、钨-银合金、钼-铜合金或钼-银合金制成。
这样的半导体封装能够通过包括以下步骤的工艺来制造通过气密封将多条引线粘结到基板上；将密封环铜焊到基板上；在气密封之后对引线镀镍和镀金；以及在铜焊之后对密封环镀镍和镀金。
在本说明书中，“引线”指的是封装引线，其可以是连线或者端子。此外，“封装”和“载体”可互换地用来表示半导体封装。
图1A和1B分别是平面图和沿图1A的A-A线得到的剖面图，示意性地表示根据本实用新型的实施例用于管芯型LD模块封装的基板；图2A和2B分别是平面图和沿图2A的A-A线得到的剖面图，示意性地表示处理中的模块封装，其中引线端子被气密封到图1A和1B所示的基板，并且密封环和接地端子被铜焊到根据本实用新型实施例的基板；图3A和3B分别是平面图和沿图3A的A-A线得到的剖面图，示意性地表示处理中的模块封装，其中半导体器件被焊接到根据本实用新型实施例的图2A和2B所示的部分；图4是剖面图，示意性地表示根据本实用新型实施例的、具有焊接到图3A和3B所示部分的盖的LD模块封装；图5是图4所示的部分A的放大剖面图；图6是与图5所示的部分A相比的常规模块封装的部分的放大剖面图；
图7是在焊接盖之前于封装上进行氦泄漏试验的条件的示意性剖面图；图8A和8B示意性地表示了在焊接盖之后如何在半导体封装上进行氦泄漏试验。
具体实施方式
以下将结合附图描述本实用新型的优选实施例，尽管这些实施例在所有方面均应被认为是示意性而非限制性的。在不偏离本实用新型的主旨和范围的前提下可对其进行多种修改和变化。
通过金属注射成型(MIM)制造基板首先，平均粒子尺寸为1.0μm的85W-15Cu(W∶Cu＝85∶15重量百分比)复合粉末或混合粉末被充入到喷射磨机或球磨机中，并且磨碎为0.1至0.3μm的平均粒子尺寸。去除在磨碎和粉末球化处理期间形成的团块。喷射磨机中的尺寸减小在0.1至1MPa的施加压力下以及5000rpm的速度下进行20分钟。球磨机中的尺寸减小进行20至200小时。
接下来，60至55体积百分比的粘合剂被添加到40至45体积百分比的具有0.1至0.3μm的平均粒子尺寸的所得85W-15Cu复合粉末中，并且所述混合物被捏合。粘合剂从以下物质中选择，例如，聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、丙烯酸树脂以及聚缩醛(POM)和蜡的混合物。然后使用制粒机对所得捏合材料制粒，并且球粒被充入到注射成型机器的漏斗中。然后在具有20公吨夹紧压力的注射成型机器中在160℃下将生坯注射成型。
接下来，通过将生坯放置在去粘合剂炉(debinding furnace)中，在斜线上升速率(ramp-up rate)0.1℃/min的1L/min的氮气流内加热，然后保持550℃的温度两小时以挥发在生坯内残留的任何粘合剂并冷却，来进行去粘合剂处理。然后，生坯通过在500至1000℃即低于铜的熔点的温度下、于1L/min的氢气流中加热而进行脱氧。在该脱氧处理中，使用氢来减少已形成在钨(W)粒子表面上的氧化层，由此提高与铜(Cu)的可湿度。
然后将生坯放置在烧结炉中，温度以5℃/min的速率斜线上升，并在氢气流中于1175至1225℃的温度下进行烧结，由此完成如图1A和1B所示的平坦、圆形基板10(a)的制造，其具有引线端子穿通孔11、接地端子穿通孔(未示出)、以及激光二极管焊盘12。在如上所述的烧结处理中，当使用85W-15Cu时的烧结温度是1175至1225℃，但优选的是，使用95W-5Cu(W∶Cu＝95∶5重量百分比)时的烧结温度为1275至1325℃；使用90W-10Cu(W∶Cu＝90∶10重量百分比)时为1225至1275℃；使用80W-20Cu(W∶Cu＝80∶20重量百分比)时为1150至1200℃；使用70W-30Cu(W∶Cu＝70∶30重量百分比)时为1125至1175℃。
除上述的钨-铜(WCu)合金之外，也可使用钨-银(WAg)合金、钼-铜(MoCu)合金和钼-银(MoAg)合金。在本实施例中，使用与上述相同的方法，从85W-15Ag(W∶Ag＝85∶15重量百分比)的合金粉末制造基板10(b)，从85Mo-15Cu(Mo∶Cu＝85∶15重量百分比)的合金粉末制造基板10(c)，并从85Mo-15Ag(Mo∶Ag＝85∶15重量百分比)的合金粉末制造基板10(d)。
半导体载体(1)本实用新型实施例接下来，将如上所述制造的基板10(a)、10(b)、10(c)和10(d)以及由铁-镍(FeNi)合金制成的引线端子14放置在被加热到350℃的炉中并在这一温度下进行30分钟的热处理，由此氧化基板10(a)至10(d)的表面以及引线端子14的表面。这种氧化处理提高了与下一步骤中气密玻璃的可湿度。
接下来，将用于气密封的玻璃粉圆柱体16放置在每个氧化处理过的基板10(a)、10(b)、10(c)和10(d)中的引线端子穿通孔11中，并将引线端子14放置在每个圆柱体中。将所得装配件放置在碳夹具(未示出)中，该碳夹具随后被载入具有氮气气氛的热处理炉中。之后以50℃/min的斜线上升速率加热直至1000℃的最高温度，以将气密封玻璃粉16熔化，然后以30℃/min的速率冷却到室温。由此使引线端子14被气密封在每个基板10(a)、10(b)、10(c)和10(d)的引线端子穿通孔11中，如图2所示。
然后将由铁-镍合金或可伐制成的密封环17放置在插入铜焊(AgCu)17a(见图5)的上方、每个基板10(a)至10(d)上的预定位置处。将铁-镍合金接地端子15放置在插入铜焊(AgCu)上方的接地端子穿通孔(未示出)中，并将所得装配件放置在碳夹具(未示出)中。碳夹具被载入具有氢气氛的热处理炉中，以50℃/min的斜线上升速率被加热至800℃的最高温度以将铜焊(AgCu)熔化，然后以30℃/min的速率被冷却到室温。
然后所得装配件(其中密封环17被焊接并固定在每个基板10(a)至10(d)上的预定位置并且接地端子15被焊接并固定到接地端子穿通孔)被浸入镀槽中并通过电镀或无电敷镀(electroless plating)工艺被镀镍，由此形成镍镀层18a(见图5)。然后对镍镀层18a执行镀金以形成金镀层18b(图5)。到此时为止，制造出将与半导体芯片和盖附接的各个半导体载体10a至10d。此处，使用基板10(a)得到的在盖焊接之前的半导体载体被标以10a，使用基板10(b)得到的半导体载体被标以10b，使用基板10(c)得到的半导体载体被标以10c，以及使用基板10(d)得到的半导体载体被标以10d。
如图3所示，然后在盖焊接之前的这些半导体载体10a、10b、10c和10d的每一个中的激光二极管焊盘12的侧壁上安装激光二极管(LD)和光电二极管(PD)，之后将引线连线(未示出)连接到这些二极管LD和PD中的每一个。
接下来，如图4所示，在被置于氮气氛中之后，在其顶部设置有透镜19a的圆柱形盖19被放置在每个半导体载体的密封环17的顶部，并且这两个元件被电阻焊接以形成管芯型LD模块。由此得到半导体载体10A(来自10a)、10B(来自10b)、10C(来自10c)和10D(来自10d)。
(2)比较实例在与以上参照本实用新型的实例描述的相同步骤之后，将基板10(a)、10(b)、10(c)和10(d)以及铁-镍(FeNi)合金引线端子14放置在加热到350℃的炉中并在这一温度下进行30分钟的热处理，由此氧化基板10(a)至10(d)的表面以及引线端子14的表面。接着，如图6所示，通过公知的镀敷方法在每个基板10(a)至10(d)的表面上形成镍底涂层13。该镍底涂层13可以通过在氨基磺酸槽或瓦特镍槽中的电镀或者通过无电敷镀形成，以便淀积一层镍-硼(Ni/B)合金或镍-磷(Ni/P)合金。在于基板10(a)至10(d)的表面上形成镍底涂层13之后，进行热处理以改善镍底涂层13和各个基板10(a)至10(d)之间的粘附力。
接下来，将用于气密封的玻璃粉圆柱体16放置在其上形成有镍底涂层13的每个基板10a至10d中的引线端子穿通孔11中，并将引线端子14放置在每个圆柱体中。将所得装配件放置在碳夹具(未示出)中，该碳夹具随后被载入具有氮气氛的热处理炉中。之后以50℃/min的斜线上升速率加热直至1000℃的最高温度，以便将气密玻璃粉16熔化，然后以30℃/min的速率冷却至室温。由此使引线端子14被气密封在插入镍底涂层13上方、各个基板10(a)至10(d)的引线端子穿通孔11中。
然后将由铁-镍合金或可伐制成的密封环17被放置在插入铜焊(AgCu)17a的上方、每个基板10(a)至10(d)上的预定位置处。将铁-镍合金接地端子15放置在插入铜焊(AgCu)上方的接地端子穿通孔(未示出)中，并将所得装配件放置在碳夹具(未示出)中。碳夹具被载入具有氢气氛的热处理炉中，以50℃/min的斜线上升速率被加热至800℃的最高温度以便将铜焊(AgCu)熔化，然后以30℃/min的斜线下降速率被冷却至室温。
然后所得装配件(其中密封环17被焊接并固定在具有形成在其上的镍底涂层13的每个基板10(a)至10(d)上的预定位置并且接地端子15被焊接并固定到接地端子穿通孔11)被浸入镀槽中并通过电镀或无电敷镀工艺被镀镍，由此形成镍镀层18a。然后对镍镀层18a执行镀金以便形成金镀层18b。到此时为止，制造出将与半导体芯片和盖附接的各个半导体载体10w至10z。此处，使用基板10(a)得到的盖焊接之前的半导体载体被标以10w，使用基板10(b)得到的半导体载体被标以10x，使用基板10(c)得到的半导体载体被标以10y，以及使用基板10(d)得到的半导体载体被标以10z。
正如在上述本实用新型的实例中那样，然后在盖焊接之前的这些半导体载体10w、10x、10y和10z的每一个中的激光二极管焊盘12的侧壁上安装激光二极管(LD)和光电二极管(PD)，之后将引线连线连接到每个二极管。然后圆柱形盖19如本实用新型的上述实例中那样被电阻焊接到密封环17以形成管芯型LD模块。由此得到半导体载体10W(来自10w)、10X(来自10x)、10Y(来自10y)和10Z(来自10z)的比较实例。
氦泄漏试验(1)盖焊接之前在如上所述制造的盖焊接之前的每个半导体载体10a至10d以及10w至10z的15个样品上进行氦泄漏试验。如图7所示，使用氦泄漏检测器20(由Shimadzu Corporation制造)来进行试验。在每个试验中，样品(半导体载体10a至10d以及10w至10z中的一个)被放置在形成于泄漏检测器20中的试验室(test chamber)22的上方，其间设置有O形环23。
氦(He)气被吹到半导体载体10a至10d以及10w至10z上。同时，通过半导体载体泄漏并流进试验室22的氦气被抽取出进入氦检测器21。当半导体载体非气密时，较多量的氦将进入试验室22。这一试验在每种类型载体的15个样品上进行时所得的结果如以下的表1至4所示。基于半导体的氦泄漏试验标准，氦泄漏速率为5.0×10-9Pa·m3/sec或更大的载体被评定为不合格(NG)。
表1
表2
表3
表4
从以上表1至4中的结果可明显看出，根据本实用新型优选实施例的每种类型的半导体载体10a至10d的所有15个样品具有10-10Pa·m3/sec量级的氦泄漏速率，表现出极佳的气密性。另一方面，比较实例中每种类型的半导体载体10w至10z的15个样品中，10个或更多个(≥67％)具有至少5.0×10-9Pa·m3/sec的氦泄漏速率，表现出较差的气密性，因而被评定为不合格。
这是因为半导体载体10w至10z具有形成在基板10(a)、10(b)、10(c)或10(d)的表面上的镍底涂层13。而且，在钨-铜合金、钨-银合金、钼-铜合金和钼-银合金中，组分金属彼此并不固溶。这些合金中每一种的表面状态因而局部地不同，从而很难使镍底涂层均匀生长。结果，例如在气密封步骤或铜焊步骤中的热失常激增可能降低基板10(a)、10(b)、10(c)或10(d)与镍底涂层13之间的粘附力。这使得很难实现高的气密度。
相反，在半导体载体10a至10d中，在气密封区域和密封环17被铜焊的区域所获得的高气密度很可能是由于在基板10(a)、10(b)、10(c)或10(d)的表面上未形成镍底涂层的事实。
(2)盖焊接之后在通过与盖19焊接所得的每种类型的完成的封装30(半导体载体10A至10D以及10W至10Z)的15个样品上进行氦泄漏试验。在这些氦泄漏试验中，如图8A所示，样品30(半导体载体10A至10D以及10W至10Z中的一个)被放置在高压储气室(bombing chamber)31中。然后用来自氦圆筒32的氦以5kg/cm2的压力填充高压储气室31两小时，之后从高压储气室31移除样品30。
然后将样品30放置在与氦泄漏检测器34(由Shimadzu Corporation制造)相连的高压储气室33中，如图8B所示。然后抽除填充高压储气室33的氦气，通过氦泄漏检测器34来测量从样品30泄漏的氦量。从储气增压至完成氦泄漏测量的时间长度被设置为不超过1小时。泄漏试验根据JISZ2330和JIS Z2331进行。结果在以下的表5至8中给出。
表5
表6
表7
表8
从以上表5至8中的结果可明显看出，根据本实用新型优选实施例的每种类型的半导体载体10A至10D的所有15个样品具有10-10Pa·m3/sec量级的氦泄漏速率，表现出极佳的气密性。另一方面，比较实例中每种类型的半导体载体10W至10Z的15个样品中，6个或更多个(≥40％)具有至少5.0×10-9Pa.m3/sec的氦泄漏速率，表现出较差的气密性，因而被评定为不合格。
这是因为半导体载体10W至10Z具有形成在基板10(a)、10(b)、10(c)或10(d)的表面上的镍底涂层13。而且，在钨-铜合金、钨-银合金、钼-铜合金和钼-银合金中，组分金属彼此并不固溶。这些合金中每一种的表面状态因而局部地不同，从而很难使镍底涂层13均匀生长。结果，例如在气密封步骤或铜焊步骤中的热失常激增可能降低基板10(a)、10(b)、10(c)或10(d)与镍底涂层13之间的粘附力。这使得很难实现高的气密度。相反，在半导体载体10A至10D中，在气密封区域和密封环17被铜焊的区域所获得的高气密度很可能是由于在基板10(a)、10(b)、10(c)或10(d)的表面上并未形成镍底涂层的事实。
在上述实施例中，通过金属注射成型(MIM)制造由钨-铜(WCu)合金、钨-银(WAg)合金、钼-铜(MoCu)合金或钼-银(MoAg)合金制成的基板。然而，基板并不局限于通过MIM工艺制造，也可以通过其他适合的工艺制造。例如，可通过浸润工艺(infiltration process)制造基板，其中钨或钼粉末被预压缩并预烧结以形成多孔坯体，之后钨或钼坯体与铜或银浸润。然后所得基板能够被机械加工为管芯型半导体载体。
权利要求1.一种半导体封装，其特征在于，包括设置在衬底上的需要气密性的半导体器件；通过气密封固定到所述衬底的多条引线；以及通过密封环键合到所述衬底的密封盖，其中所述衬底由从包括钨-铜合金、钨-银合金、钼-铜合金和钼-银合金的组中选取的金属合金制成；用于所述气密封的材料直接结合到所述衬底，以将所述多条引线固定到所述衬底；所述密封环通过铜焊直接键合到所述衬底；以及在所述气密封之后的所述引线的表面以及在所述铜焊之后的所述密封环的表面被镀镍和镀金。
2.一种半导体封装，其特征在于，包括由基于钨的金属合金或基于钼的金属合金制成并形成有通孔的衬底；位于所述通孔处并通过对所述衬底直接实施的气密封固定到所述衬底的引线；设置在所述衬底上并连接到所述引线的需要气密性的半导体器件；及键合到所述衬底以密封所述半导体器件的密封盖。
3.如权利要求2所述的半导体封装，其特征在于，还包括位于所述衬底和所述密封盖之间、用于将所述密封盖安全地固定到所述衬底的密封环，所述密封环通过铜焊被直接键合到所述衬底。
4.如权利要求2所述的半导体封装，其特征在于，所述引线和所述衬底的表面被镍层和金层覆盖。
5.如权利要求3所述的半导体封装，其特征在于，所述引线和所述密封环的表面被镍层和金层覆盖。
6.如权利要求2所述的半导体封装，其特征在于，所述基于钨的金属合金包括钨-铜合金和钨-银合金，所述基于钼的金属合金包括钼-铜合金和钼-银合金。
7.如权利要求2所述的半导体封装，其特征在于，所述半导体器件包括激光二极管和光电二极管。
专利摘要提供了一种半导体封装，该半导体封装具有由WCu、WAg、MoCu或MoAg制成的基板。多条引线通过气密封固定到所述基板而没有插入的镍镀层。盖利用密封环被结合到所述基板上，该密封环通过铜焊直接键合到基板上而没有插入的镍镀层。所述引线在气密封之后被镀镍和镀金，并且所述密封环在铜焊之后被镀镍和镀金。即使所述基板由金属合金制成，这种配置也能够提供具有高气密度的封装。
文档编号H01L23/02GK2842728SQ200520007368
公开日2006年11月29日 申请日期2005年3月22日 优先权日2004年3月25日
发明者铃木克典, 滨野哲丞 申请人:雅马哈株式会社